开关电源的拓扑结构（四）

木犯001号

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功率单元的工作模式

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目前为止所讨论的所有功率拓扑中，都是假定磁性元件中的电流在开关管工作期间连续地流动。然而情况并非总是如此，回到简单的单开关Buck电路，即存在三种不同的电流传导模式，如下图所示。

本图的Buck电路，描绘了电感电流的三种情况的波形，也即三种电流导通模式。在一个特定的设计中，电感电流是输出负载的函数。

现在我们知道，开关管导通期间电感电流会增加，开关管关断和整流一极管续流时电感电流会减小，输出电容对此斜坡电流进行平均，以向负载提供相对恒定的电流。如果输入电压固定的话，电感电流的上升斜率也是固定的，如果输出电压不变的话，其下降斜率也是固定的。这些波形均以负载电流作为变量绘制。

最上面的波形其平均电流值相对较高，电流始终在流动，它交替上升到I_LMAX，然后降到I_LMIN。当然，这种工作模式被称为“连续导通模式”，或简称为CCM。

中间电流波形，它是一种特殊的CCM形式，当负载电流降低到一个较低的值时，就会出现这种情况，使得I_LMIN达到零。这仍然是CCM，但是由于它是一个特殊的形态，我们给它一个不同的名称，即“临界导通模式”（CRM）或“过渡模式”，因为它表征了连续和不连续模式之间的过渡。

这使我们进入第三种状态“不连续导通模式”（DCM），负载电流下降到更低的平均值，在这里，电感电流的下降斜率已经达到零，并维持一段时间，形成死区，因此称之为“不连续”。

电压稳压器是一个具有闭环反馈的控制系统，要保持电路在所有工作条件下稳定工作，当然也包括负载变化，但CCM和DCM的工作特性是不同的。当电路工作在CCM模式下时，占空比是输入电压的线性函数，控制环路能进行连续的控制：

但是当电路进入DCM时，电感电流和电感两端的电压都达到零时，环路将不再起作用。占空比关系现在变成了非线性关系：

实际的结果是，当跨入DCM边界时系统可能变得不稳定，或者同样有问题的是，低的控制增益对快速负载变化的响应能力严重降低。为了确保系统一直工作于CCM，应始终存在一个固定的最小负载，临界负载电流需求如下值：

我们将在后面的章节中进一步讨论采用同步整流器的情况。

但在另一方面，对于DCM电路，每个周期开始时，状态是已知的，所以反馈补偿要容易得多。因此有一类电路被设计为始终保持在DCM中，通常具有固定导通时间、可变频率，因此具有天然的稳定性。这种控制方式，在轻载时，由于关断时间可以延长，降低了开关频率和开关损耗，从而实现了高效率。

在离开这个话题之前，还有另外一类电路被设计成在临界导通模式（CRM）下工作，控制电路检测电感电流，并在电感电流达到零时立即开通开关管。CRM所提供的优势是，当电感电流变为零时，整流二极管中电流也是如此，所以二极管的瞬态反向恢复电流最小。但是，需要同时控制导通和关断时间，无法保持恒定开关频率工作，因此会引起其他设计问题。

 

 

右半平面零点

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关于极点和零点的定义和意义，我们将在之后的闭环反馈的一章中更详细地讨论，但是其中有一个术语与功率拓扑相关，即“右半平面零点”（RHPZ)。在小信号频率补偿中，极点和零点通常位于复数。平面的左半部分，左半平面极点会使增益下降、相位滞后，而零点则相反，会使增益上升、相位超前。RHPZ 的问题在于它的效果是让增益增加（类似于一个传统的零点）.但是相位滞后。这个特性即使给予补偿的话也是很麻烦的（实际上一般也很难补偿），并且它通常会使整个环路增益在相对较低的频率时滚降。

在Buck 系列电路中不会出现RHPZ，它只会出现在Boost和Flyback拓扑结构中，且只有在电路工作在连续导通模式（CCM）和恒定开关频率时才会出现。这是由输入到输出的能量传递的半周期延迟引起的（需要先储能再释放），通过下面两张图可以简单地来解释：

在两种拓扑结构中，当开关管导通时，能量是首先存储在电感中，此时间为 DxT，当开关管关断时，能量传送到输出端（和输出电容器），时间为（1-D）×T。考虑CCM工作情况，电感电流连续。如果我们负载电流突然小幅增加，那么第一个响应就是输入端要增加能量，这会使占空比（D）增加一定的量（d），如下图部分所示的波形。

虽然占空比的增加将在开始几个开关周期内的提升平均电感电流，但初始结果是，随着D的增加，（1-D）相应减少，使得实际上通过二极管输出的能量是减少的。在几个开关周期之后，增加的电感电流最终会使平均输出电流达到新的需求值，即使电感电流立即出现正向响应，也会出现滞后。

数学上可以推导出，RHPZ在频率曲线上是一个非线性函数，它与占空比和负载阻抗有关，具体地有：

请记住，RHPZ只是CCM才特有的一个问题。在DCM模式下，所有输入储存到电感中的能量都会在每个周期内输出到负载端，因此，平均输出电流总是对应于每个脉冲为基准值的峰值。